半导体器件的材料品质因子

半导体器件的材料品质因子

XieMeng-xian.（电子科大，成都市）

为了使半导体器件的性能达到较好的水平，除了在器件结构设计和工艺制作技术上加以优化以外，在半导体材料的合理选取上也需要加以考虑。究竟什么样的半导体材料最适合某种器件使用呢？这就需要根据器件的某些参数之间的制约关系来确立一种评价的标准，这种标准也就是不同器件的材料品质因子。

（1）Johnson 因子：

Johnson因子是高频大功率BJT的材料品质因子，即是表征半导体材料对于高频大功率BJT适应能力的一个参量。

因为晶体管在高电压和大电流条件下工作时，将会产生势垒展宽、放大系

数下降和Kirk效应（基区展宽效应）等许多现象，并导致晶体管的最高工作频率下降，所以晶体管的最大输出功率与特征频率之间存在着一定的制约关系。一般，从半导体材料的基本特性来看，临界雪崩击穿电场强度Ec越大，载流子饱

和漂移速度vs越高，晶体管的最大功率处理能力就越强，特征频率也相应地越高。因此，可以采用半导体材料的临界雪崩击穿电场强度与载流子饱和漂移速度的乘积，即

来作为评价不同半导材料对制作高频大功率晶体管的适应能力。该乘积F1

就称为为第一材料品质因子，或者 Johnson因子。

实际上，Johnson因子的大小就是限制器件极限性能的一个量度。Johnson

因子的数值越大，则晶体管在高频下阻断电压和处理功率的能力就越强，即能够更好地兼顾高频率和大功率的要求。

根据不同半导体材料的基本特性参数和 Johnson因子的数值，可以见到：① 由于金刚石、氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体的临界雪崩击穿电场，要比Si和GaAs的高出一个数量级，而饱和漂移速度的差别不大，因此，宽禁带半导体晶体管在同一特征频率下的电压承受能力要比Si和GaAs晶体管的高得多。②宽

禁带半导体材料的Johnson因子要比Si的大数十倍，所以宽禁带半导体材料将

有利于获得高电压、大电流和高频率，这对于制作高频大功率晶体管具有很大的潜在优势。

⑵Keyes因子：

Keyes因子是功率开关BJT的一个材料品质因子。

因为BJT的开关时间（主要是关断时间）与晶体管结电容的充放电时间常数

和载流子渡越时间有关。减小晶体管截面积来缩小结电容以及提高漂移速度来缩短渡越时间，都将有利于提高开关速度。但是，BJT截面积的缩小，就会使

晶体管的热阻增大，将导致结温的升高△ T;因此，减小结电容来提高开关速度与增大截面积来降低热阻之间存在着一定的矛盾要求，即晶体管的功耗与速度（或者开关频率）之间存在着一定的制约关系。

分析表明，晶体管的开关速度或者开关频率要受到半导体材料的热导率入、饱和漂移速度v和相对介电常数&的限制，对于BJT的开关频率f来说，它具有如下的正比关系：

式中的F2即称为第二材料品质因子，又称为 Keyes因子。Keyes因子即决定了晶体管最高开关频率的上限。

由于不同半导体材料的饱和速度 v和相对介电常数&之间的差别不大，因此Keyes因子的大小实际上反映的是半导体材料的热导率入对晶体管开关特性的限制。

由Keyes因子的数据得知，金刚石和碳化硅这两种宽禁带半导体，从功耗与工作速度的制约关系来看，要比 Si优越得多；而砷化傢和磷化傢这两种半导体，虽然它们的禁带宽度大于 Si，但是由于它们的热导率却大约只有 Si的 1/3（相应的Keyes 因子不到Si的一半），所以在用作为制作高速功率开关晶体管的材料上，性能还不如Si的好。

（3）Baliga低速因子：

Baliga低速因子是开关频率较低的场效应器件的材料品质因子

开关频率较低的场效应开关晶体管（FET）的性能制约关系，主要表现在耐压

（阻断电压）与功耗之间的矛盾上。而器件的功耗主要包括两个部分，即导通状态时的功耗（称为静态［稳态］功耗）和开关过程中的功耗（动态［瞬态］功耗）。对于开关频率较低的器件，动态功耗一般都较小，主要是静态功耗，从而这时决定器件功耗的基本因素是导通状态下的导通电阻。

对于垂直导电的功率MOSFET（VDMOSF，它的导通电阻包含有几个分量，但是在考虑功率VDMOSFE的导通电阻与材料特性的关系时，可以只考虑漂移区的电阻Rd即可。

显然，载流子迁移率卩越大，导通电阻就越小；并且，当采用临界雪崩击穿电场强度Ec较高的半导体时，就能够大大缩短漂移区的宽度，从而也可以显著地降低导通电阻。

分析表明，只要选取适当的半导体材料参数--迁移率□、临界雪崩击穿电场强度Ec和相对介电常数汀，即可让器件获得最小的导通电阻和最高的击穿电压。因此，可以采用

来表征半导体材料对开关频率较低的场效应器件的适应能力；F3称为第三

材料品质因子或者Baliga低速因子。如果选取F3较高的半导体材料来制作 MOSFE的话，则可以在保持耐压水平不变的情况下，使导通电阻大大降低；或

者在一定的导通电阻条件下，获得较高的耐压性能。

由F3的数值可见，用于制造功率MOSFE的最理想的半导体材料是金刚石和碳化硅，尤其是金刚石；并且金刚石还有一个重要的特点，即电子和空穴的迁移率相差不大，这对于制作大功率 CMO而言具有很大的价值（可不必有意地增大p-MOSFET勺沟道宽度，将有利于降低功耗和简化控制电路的设计）。

（4）Baliga高速因子：

Baliga高速因子是开关频率较高的场效应器件的材料品质因子。

对于较高开关频率使用的功率MOSFET其性能之间的制约关系主要表现在功耗与开关频率之间的矛盾上

这种器件的功耗除了导通状态时的静态（稳态）功耗以外，开关过程中的动态（瞬态）功耗也必须加以考虑。在此，动态功耗主要就是所谓开关损耗，即驱使器件

发生开关动作所需要的对输入电容充放电的能量消耗。

器件开关频率的提高，主要是要受到功耗增大的限制。为了降低器件的功耗、并提高开关频率，需要从三个方面来考虑：①合理地选取器件面积。因为若增大器件的面积，虽然可以降低导通电阻而使是静态功耗减小，但是与此同时也将增大器件的总电容而使开关损耗增加。因此，就需要优化器件面积来获得最小的总功耗。②使导通电阻最小，以降低静态功耗。③使输入电容最小，以降低开关损耗。在器件功耗较低的情况下，也就使得可以采用较高的开关频率。

分析指出，对于不同半导体材料制作的场效应器件，载流子的迁移率越大，同时临界击穿电场强度越高，器件的最小功耗就越低。因此，可以选取

作为开关频率较高的场效应器件的材料品质因子，称为第四材料品质因子或者Baliga高速因子。F4的数值越大，在开关频率一定的情况下，场效应器件的功耗就越小；或者，在功耗一定的情况下，场效应器件的开关频率也就越高。

通过对比各种半导体材料的F4数值，可以得知：

①对于一定的半导体材料，场效应器件的功耗随着开关频率的提高而增大；而对于相同的开关频率，采用不同半导体材料制造的器件的功耗可以有数量级的差别;并且开关频率越高，功耗的大小对材料的敏感性也就越大。

②在各种开关频率下，都是 GaP器件的功耗最高、金刚石器件的功耗最低；

当开关频率升高到50MHz时，只有碳化硅器件和金刚石器件的最低功耗小于1W; 并且即使在更高开关频率下，金刚石器件的最小功耗也不会超过1W这也就表

明，金刚石半导体在器件应用方面也具有优良的高速、低功耗性能。